Na presente Tese, foi investigado o efeito de tratamentos térmicos reativos nas propriedades físico-químicas e, em alguns casos, nas propriedades elétricas de filmes de SiO2 crescidos termicamente sobre carbeto de silício. Foram abordados os principais processos que visam melhorar as propriedades elétricas da interface SiO2/SiC: reoxidação em O2 e H2O (vapor d’água) e tratamentos térmicos em H2 e NO. Na etapa em que foi investigado o efeito da temperatura de reoxidação em estruturas SiO2/SiC, foram utilizadas técnicas de microscopia de força atômica e análise por reação nuclear, que nos permitiram concluir que uma reoxidação em O2 realizada a baixa temperatura reduz a rugosidade da interface, enquanto que uma reoxidação em alta temperatura aumenta a sua rugosidade, provavelmente aumentando os defeitos eletricamente ativos dessa estrutura. Na segunda etapa, investigamos a incorporação, distribuição em profundidade e dessorção de hidrogênio no sistema SiO2/SiC utilizando análises por reações nucleares. Observamos uma ligação química do hidrogênio muito mais forte com a estrutura SiO2/SiC e com SiC do que no caso do SiO2/Si e do Si. O efeito de tratamentos térmicos em atmosfera de NO e O2 feitos em diferentes seqüências também foi investigado. Através de análises por Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por Raios-X, análises com feixes de íons e curvas Capacitância-Voltagem, foi observada uma forte troca isotópica entre o oxigênio da fase gasosa e o oxigênio do filme dielétrico, além do benéfico efeito do nitrogênio nas propriedades elétricas da interface SiO2/SiC. As investigações da incorporação de vapor d’água nos filmes de SiO2 crescidos sobre SiC e sobre Si, feitas utilizando análises com feixes de íons, mostraram diferenças marcantes na interação da água com as duas estruturas. Houve maior incorporação de oxigênio no filme pré-existente de SiO2 sobre SiC do que em SiO2/Si, evidenciando uma maior concentração de defeitos nesses filmes sobre SiC. Hidrogênio também foi incorporado em maiores quantidades nas estruturas SiO2/SiC em regiões defeituosas do filme dielétrico e da interface SiO2/SiC. Esforços para relacionar as propriedades físico-químicas observadas com as propriedades elétricas das estruturas foram feitos ao longo de todo o trabalho. / In the present thesis the effects of reactive thermal treatments on the physicochemical and, in some cases, on the electrical properties of thermally grown SiO2 films on silicon carbide were investigated. We employed the most widely used thermal treatments to passivate electrically active defects present in the SiO2/SiC interface region, namely: reoxidations in O2 and H2O (water vapor) and thermal annealings in H2 and NO. In the investigation on the effects of reoxidation temperature in the SiO2/SiC structure, atomic force microscopy and nuclear reaction analysis were used, which allowed us to conclude that a lowtemperature reoxidation in O2 leads to a decrease of the SiC surface roughness, while a high-temperature reoxidation leads to an increase of the SiC surface roughness, probably also increasing the electrically active defects near this interface. Thermally induced hydrogen incorporation, depth distribution and loss were investigated using nuclear reaction analyses. Hydrogen is found to be much more strongly bound to SiO2/SiC and to SiC structures than to their Si counterparts. The effects of thermal treatments in NO and O2 atmospheres in different sequences were also investigated. X-ray photoelectron spectroscopy, ion beam analyses and capacitance-voltage characterization allowed us to observe a strong isotopic exchange between oxygen from the gas phase and oxygen from the film, besides the beneficial effect of nitrogen on the electrical properties of the SiO2/SiC interface.The incorporation of water vapor in SiO2 films thermally grown on SiC and on Si revealed remarkably differences in the water interaction with both structures. A higher incorporation of oxygen in SiO2 pre-existent films on SiC compared with SiO2 films on Si indicates a higher concentration of defects in SiO2 films on SiC. Hydrogen was also incorporated in higher amounts in SiO2/SiC structures, both in the interface and in defective regions of the SiO2 film. Efforts to relate the observed physico-chemical properties with the electrical properties of these structures were performed along the whole work.

Orientador: Prof. Dr. Vitoldo Swinka Filho / Coorientador: Drª. Marilda Munaro / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 21/03/2016 / Inclui referências : f. 133-140 / Área de concentração: Engenharia e ciência de materiais / Resumo: Capacitores de potência são amplamente utilizados por concessionárias de energia em sistemas elétricos para melhorar a qualidade de energia para seus consumidores. No entanto, problemas com à instalação física, temperatura ambiente e distúrbios elétricos podem causar alterações dos materiais alterando seu desempenho em campo. Como o filme de polipropileno isotático (iPP) é o principal material dielétrico de um capacitor, é importante conhecer como a temperatura e distorções harmônicas do campo elétrico aplicado afetam as propriedades do mesmo. Para isso, amostras de iPP usadas em capacitores de potência foram submetidas a ensaios de envelhecimento acelerado térmico e elétrico em laboratório durante diferentes períodos de tempo e condições de temperatura, atmosfera e campo elétrico. Após cada período de envelhecimento, as amostras foram levadas a ensaios de caracterização óticos, mecânicos, térmicos e elétricos, tais como: microscopia ótica por transmissão; espectroscopia de infravermelho (FTIR), resistência à tração; calorimetria diferencial de varredura (DSC), difração de raios-X (DRX), rigidez dielétrica e espectroscopia de impedância. Os resultados dos ensaios mostraram que a elevação da temperatura do filme iPP gera um aumento da cristalinidade devido ao aumento na dimensão das esferulitas do material polimérico. Adicionalmente, foi verificado que as amostras envelhecidas termicamente em óleo apresentam maior cristalinidade, devido ao efeito plastificante deste. Também foi observado que o aumento da componente harmônica do campo elétrico causa também aumento da cristalinidade e dimensão das esferulitas, mesmo em temperatura ambiente. Por fim, foi verificado que amostras com maior grau de cristalinidade apresentam maior probabilidade de falha elétrica, fato que está associado ao aumento das regiões interfaciais entre as fases no interior do material. Palavras Chaves: Capacitores, Filme de Polipropileno, Alteração Morfológica, Envelhecimento Térmico, Distorção Harmônica, Ruptura Dielétrica. / Abstract: Power capacitors are commonly used by utility companies to improve the quality of the electricity delivered to their consumers. However, problems with physical installation, ambient temperature and electric disturbances may modify the physicchemical properties of its dielectric material, causing changes in capacitor performance. Because a polypropylene (PP) film is the main dielectric component of a capacitor, it is important to know how temperature and harmonic distortion of electric field affects its properties. For this purpose, iPP samples used in power capacitors were aged thermally and electrically in the laboratory for different times, temperature conditions, atmosphere and electric field. After each aging time, samples were taken to optical, mechanical, thermal and electrical characterization tests, such as transmission optical microscopy; tensile strength; differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), electrical breakdown and impedance spectroscopy. The test results showed that the elevation of iPP film temperature and electrical disturbances produces an increase in crystallinity due to increase the size of the spherulites in the polymer chain. Additionally, it was found that the samples thermally aged in oil have higher crystallinity due to the plasticizing effect. It was also observed that increasing the harmonic frequency of the electric field also causes increase in crystallinity and spherulites size, even at room temperature. Finally, it was observed that samples with a higher degree of crystallinity have an increase of the probability of electrical failure. This fact was associated with increased at interfacial areas between the phases inside the material caused by the increase in crystallinity and spherulites size. Keywords: Capacitors: Capacitor, Polypropylene Film, Morphology Changes, Thermal Aging, Harmonic Distortion And Dielectric Breakdown.

Orientador: Miguel Angel Ramírez Gil / Banca: Sergio Francisco dos Santos / Banca: Miguel Adolfo Ponce / O Programa de Pós Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem carater institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi / Resumo: O CaCu3Ti4O12 (CCTO) possui alta potencialidade para ser utilizado em várias aplicações tecnológicas, entre estas dielétricas e varistores. A cerâmica Ca2CU2Ti4O12 (com duas fases CCTO e CaTiO3) apresenta um bom coeficiente de não linearidade (a) quando comparado com a fase pura de CCTO o que potencializa sua aplicação como varistor, entretanto, a corrente de fuga (If) ainda é considerada elevada para aplicações comerciais. Outro fator importante é que o Brasil é um dos países com maior número de jazidas de SnO2 material que tem-se tornado interessante para a elaboraçao de varistores. Neste trabalho foram sintetizados mediante reação em estado sólido pós cerâmicos de Ca2Cu2Ti4-xSnxO12 (0,0<x<4,0). Os pós foram inicialmente caracterizados com análise termogravimétrica, técnica que mostrou duas perdas de massa, uma perto de 200ºC associada à saida de água e outra perto de 800ºC devida à decomposição do CaCO3. A análise com microscopia eletrônica de varredura (MEV) na cerâmica na forma de pós mostraram que com o aumento de Sn4+ as amostras apresentaram algumas morfologias alongadas. A difratometria de raios X (DRX) mostrou que com o aumento de Sn4+ surgem às fases SnO2, CaSnO3 e CuO, e diminui as fases de CaTiO3 e CaCu3Ti4O12. A técnica de dilatometria óptica indicou duas temperaturas de sinterização: 1150ºC para as amostras com baixo teor de Sn4+ (x=0,0;0,1;0,2 e 2,0) e 1400ºC para as de maior teor de Sn4+ (x=3,8; 3,9 e 4,0). As pastilhas foram caracterizadas usando a técnica de difratometria de raios X cuja principal diferença em relação ao pós calcinados foi a presença da fase TiO2 para a amostra com x=0,0. A análise microestrutural mostrou crescimento geral de grãos com a substituição de Sn4+. A massa específica pelo método de Arquimedes e porosimetria de mercúrio mostraram corpos cerâmicos altamente densos, com poros de tamanhos menores a 1x10-2 um. Em relação à resposta dielétrica... / Abstract: The CaCu3TiO12 (CCTO) has a high potential for use in various technological applications, among these dielectric and varistors. The Ca2Cu2Ti4O12 ceramics (with two CCTO and CaTiO3 phases) having a good coefficient of non-linearity (a) when compared with phase pure CCTO which enhances its application as a varistor, however, the leakage current (If) is still considered high for commercial applications. In this work we were synthesized by reaction ceramic powders solid state Ca2Cu2Ti4-xSnxO12 (0.0, < x <4.0). The powders were initially characterized by thermogravimetric analysis, a technique which showed two weight losses, one near 200ºC associated with the output of water and other close to 800ºC due to decomposition of CaCO3. The analysis with scanning electron microscopy (SEM) in the ceramic in powder showed that with increasing Sn4+ samples showed some elongated morphologies. The X-ray diffraction (XRD) showed that with the increase of Sn4+ phases arise, SnO2, CaSnO3, and CuO, and decrease the phases of CaTiO3 and CaCu3Ti4O12. The optical technique dilatometry indicated two sintering temperature: 1150ºC for samples with low Sn4+ concentration (x=0,0,0.1, 0.2 and 2.0) and 1400ºC for the highest content of Sn4+ (x=3.8, 3.9 and 4.0). The ceramics were characterized using the technique of diffraction X-ray whose main difference in relation to the calcined powders is the presence of TiO2 phase to the sample with x=0.0. Microstructural analysis showed overall grain growth with the addition of Sn4+. The density by Achimedes method and mercury porosimetry showed highly dense ceramic bodies with pore sizes smaller to 1x10-2 um. Concerning the dielectric response is found high dielectric constant values for the samples with x=0.0; x=0.1 and x=0.2 presenting also lower dielectric loss. Samples showed varistor response were x=0.0; x=3,8; x=3.9 and x = 4.0 making it quite interest samples with high content of Sn4+ because the phases present as... / Mestre

Na presente Tese, foi investigado o efeito de tratamentos térmicos reativos nas propriedades físico-químicas e, em alguns casos, nas propriedades elétricas de filmes de SiO2 crescidos termicamente sobre carbeto de silício. Foram abordados os principais processos que visam melhorar as propriedades elétricas da interface SiO2/SiC: reoxidação em O2 e H2O (vapor d’água) e tratamentos térmicos em H2 e NO. Na etapa em que foi investigado o efeito da temperatura de reoxidação em estruturas SiO2/SiC, foram utilizadas técnicas de microscopia de força atômica e análise por reação nuclear, que nos permitiram concluir que uma reoxidação em O2 realizada a baixa temperatura reduz a rugosidade da interface, enquanto que uma reoxidação em alta temperatura aumenta a sua rugosidade, provavelmente aumentando os defeitos eletricamente ativos dessa estrutura. Na segunda etapa, investigamos a incorporação, distribuição em profundidade e dessorção de hidrogênio no sistema SiO2/SiC utilizando análises por reações nucleares. Observamos uma ligação química do hidrogênio muito mais forte com a estrutura SiO2/SiC e com SiC do que no caso do SiO2/Si e do Si. O efeito de tratamentos térmicos em atmosfera de NO e O2 feitos em diferentes seqüências também foi investigado. Através de análises por Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por Raios-X, análises com feixes de íons e curvas Capacitância-Voltagem, foi observada uma forte troca isotópica entre o oxigênio da fase gasosa e o oxigênio do filme dielétrico, além do benéfico efeito do nitrogênio nas propriedades elétricas da interface SiO2/SiC. As investigações da incorporação de vapor d’água nos filmes de SiO2 crescidos sobre SiC e sobre Si, feitas utilizando análises com feixes de íons, mostraram diferenças marcantes na interação da água com as duas estruturas. Houve maior incorporação de oxigênio no filme pré-existente de SiO2 sobre SiC do que em SiO2/Si, evidenciando uma maior concentração de defeitos nesses filmes sobre SiC. Hidrogênio também foi incorporado em maiores quantidades nas estruturas SiO2/SiC em regiões defeituosas do filme dielétrico e da interface SiO2/SiC. Esforços para relacionar as propriedades físico-químicas observadas com as propriedades elétricas das estruturas foram feitos ao longo de todo o trabalho. / In the present thesis the effects of reactive thermal treatments on the physicochemical and, in some cases, on the electrical properties of thermally grown SiO2 films on silicon carbide were investigated. We employed the most widely used thermal treatments to passivate electrically active defects present in the SiO2/SiC interface region, namely: reoxidations in O2 and H2O (water vapor) and thermal annealings in H2 and NO. In the investigation on the effects of reoxidation temperature in the SiO2/SiC structure, atomic force microscopy and nuclear reaction analysis were used, which allowed us to conclude that a lowtemperature reoxidation in O2 leads to a decrease of the SiC surface roughness, while a high-temperature reoxidation leads to an increase of the SiC surface roughness, probably also increasing the electrically active defects near this interface. Thermally induced hydrogen incorporation, depth distribution and loss were investigated using nuclear reaction analyses. Hydrogen is found to be much more strongly bound to SiO2/SiC and to SiC structures than to their Si counterparts. The effects of thermal treatments in NO and O2 atmospheres in different sequences were also investigated. X-ray photoelectron spectroscopy, ion beam analyses and capacitance-voltage characterization allowed us to observe a strong isotopic exchange between oxygen from the gas phase and oxygen from the film, besides the beneficial effect of nitrogen on the electrical properties of the SiO2/SiC interface.The incorporation of water vapor in SiO2 films thermally grown on SiC and on Si revealed remarkably differences in the water interaction with both structures. A higher incorporation of oxygen in SiO2 pre-existent films on SiC compared with SiO2 films on Si indicates a higher concentration of defects in SiO2 films on SiC. Hydrogen was also incorporated in higher amounts in SiO2/SiC structures, both in the interface and in defective regions of the SiO2 film. Efforts to relate the observed physico-chemical properties with the electrical properties of these structures were performed along the whole work.

A irradiação de dielétricos sólidos com feixes eletrônicos tem-se revelado uma poderosa ferramenta na investigação das características de armazenamento e condução de carga elétrica nesses materiais. O presente trabalho faz urna revisão dos resultados que se tem obtido no campo, discute uma equação de transporte para carga em excesso em isolantes amorfos e aplica-la a particulares montagens experimentais. Encontra-se que os efeitos de carga espacial não são em geral importantes para pequenas penetrações do feixe na amostra, mas desempenham papel essencial no caso de elétrons quase-trespassantes. Em particular, obtém-se satisfatória concordância com os resultados experimentais de Spear (1955). / Irradiation of solid dielectric with electron beams has been used as a powerful tool in investigations of charge storage and transport in such materials. The present work reviews some of the results that have been obtained in this area and discusses the formulation of a transport equation for excess charge in irradiated insulators. This equation is subsequently applied to various experimental set-ups . It is found that space charge effects p1ay an essential role in the establishment of stationary currents in samples subject to quasi- -penetrating electron beams. Such effects may, however, be neglected for low electron ranges. Theoretical results are in good agreement with experimental findings by Spear (1955).

Na presente tese, foi investigado o crescimento térmico de filmes dielétricos (óxido de silício e oxinitreto de silício) sobre carbeto de silício. Além disso, os efeitos da irradiação iônica do SiC antes de sua oxidação, com o intuito de acelerar a taxa de crescimento do filme de SiO2, também foram investigados. A tese foi dividida em quatro diferentes etapas. Na primeira, foram investigados os estágios iniciais da oxidação térmica do SiC: mudanças no ambiente químico dos átomos de Si foram observadas após sucessivas etapas de oxidação térmica de uma lâmina de SiC. A partir desses resultados, em conjunto com a análise composicional da primeira camada atômica da amostra, acompanhou-se a evolução do processo de oxidação nesses estágios iniciais. Na etapa seguinte, foram utilizadas as técnicas de traçagem isotópica e análise por reação nuclear com ressonância estreita na curva de seção de choque na investigação do mecanismo e etapa limitante do crescimento térmico de filmes de SiO2 sobre SiC. Nesse estudo, compararam-se os resultados obtidos de amostras de óxidos termicamente crescidos sobre Si e sobre SiC. Na terceira etapa, foram investigados os efeitos da irradiação iônica do SiC antes de sua oxidação nas características finais da estrutura formada. Finalmente, comparam-se os resultados da oxinitretação térmica de estruturas SiO2/SiC e SiO2/Si utilizando dois diferentes gases: NO e N2O.

Foi construído um sistema ótico para controlar a espessura de filmes finos num evaporador de alto vácuo. Foi medida a reflexão "in situ" de um filme fino depositado num substrato apropriado. O cálculo da transmissividade e refletividade de filmes dielétricos, divisores de feixes e filtros também é descrito. O problema inverso, que é obter um filme com propiedades de reflexão e/ou transmissão pré-determinadas também é analisado. Também são dados programas que calculam as propriedades de um filme fino e os desenham. Finalmente é descrita a fabricação de espelhos dielétricos para um Fabry-Per,ot e um divisor de feixe no evaporador de alto vácuo. / An optical monitoring system was built to control the thickness of thin film in a high vacuum evaporator. In this system we measured the in-situ reflection from a thin film deposited on an appropriate substrate. The calculation of the transmission and reflection from a multilayer thin film as used in dielectric mirrors, beam splitlers and filters is also described. The inverse problem, that is to obtain a film with predetermined reflection and trasmissiom, is also studied. Computer program for calculating thin film and designing them are also given. Finally we describe the fabrication of Fabry-Perot dielectric mirrors and a beam-splitter in our high vacuum evaporator.

Dissertação: Rene Robert / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Parana

Foi construído um sistema ótico para controlar a espessura de filmes finos num evaporador de alto vácuo. Foi medida a reflexão "in situ" de um filme fino depositado num substrato apropriado. O cálculo da transmissividade e refletividade de filmes dielétricos, divisores de feixes e filtros também é descrito. O problema inverso, que é obter um filme com propiedades de reflexão e/ou transmissão pré-determinadas também é analisado. Também são dados programas que calculam as propriedades de um filme fino e os desenham. Finalmente é descrita a fabricação de espelhos dielétricos para um Fabry-Per,ot e um divisor de feixe no evaporador de alto vácuo. / An optical monitoring system was built to control the thickness of thin film in a high vacuum evaporator. In this system we measured the in-situ reflection from a thin film deposited on an appropriate substrate. The calculation of the transmission and reflection from a multilayer thin film as used in dielectric mirrors, beam splitlers and filters is also described. The inverse problem, that is to obtain a film with predetermined reflection and trasmissiom, is also studied. Computer program for calculating thin film and designing them are also given. Finally we describe the fabrication of Fabry-Perot dielectric mirrors and a beam-splitter in our high vacuum evaporator.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-25T03:32:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 285517.pdf: 1201811 bytes, checksum: 8c1150956157d2c52c6b75fc9aed181c (MD5) / As partículas de titanato de bário foram preparadas utilizando o método de Sol-precipitação. Estas partículas foram incorporadas em uma matriz polimérica de poli (álcool vinílico) com intuito de obter um filme fino flexível. Foram feitos filmes com titanato de bário comercial e PZT para comparação. O material resultante foi caracterizado por difração de raio-x (XRD), determinação de tamanho de partícula e potêncial zeta, espectroscopia de absorção na região do uv-visível, microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FEG-SEM) e calorimetria diferencial de varredura (DSC). Resistividade, constante dielétrica, histerese ferroelétrica foram utilizadas para estudar como as propriedades elétricas do material dependem de vários parâmetros como temperatura, concentração, faixas de frequências entre outras. / Barium titanate particles were prepared using the sol-precipitation technique. The particulates were embedded in a polyvinyl alcohol matrix in order to obtain a thin flexible film. Films were made with commercial barium titanate were compared with films made with PZT. The resulting material was characterized by X-ray diffraction (XRD), particle size and zeta potential, field emission scanning electron microscopy (FEG-SEM) and differential scanning calorimetry (DSC). Resistivity, dielectric constant, ferroelectric hysteresis were used to study how the electrical properties of materials depend on various parameters such as temperature, concentration, frequency bands and others.